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Giovanni D'Amore discutiu o uso de analisadores de impedância e acessórios profissionais para caracterizar materiais dielétricos e magnéticos.
Estamos habituados a pensar no progresso tecnológico a partir de gerações de modelos de telemóveis ou de nós de processos de fabrico de semicondutores. Estes fornecem uma abreviação útil, mas obscuram avanços em tecnologias facilitadoras (como o campo da ciência dos materiais).
Qualquer pessoa que tenha desmontado uma TV CRT ou ligado uma fonte de alimentação antiga saberá uma coisa: não é possível usar componentes do século XX para fabricar eletrônicos do século XXI.
Por exemplo, os rápidos avanços na ciência dos materiais e na nanotecnologia criaram novos materiais com as características necessárias para construir indutores e condensadores de alta densidade e alto desempenho.
O desenvolvimento de equipamentos que utilizam esses materiais requer medição precisa de propriedades elétricas e magnéticas, como permissividade e permeabilidade, em uma faixa de frequências operacionais e faixas de temperatura.
Os materiais dielétricos desempenham um papel fundamental em componentes eletrônicos, como capacitores e isoladores. A constante dielétrica de um material pode ser ajustada controlando sua composição e/ou microestrutura, especialmente cerâmica.
É muito importante medir as propriedades dielétricas de novos materiais no início do ciclo de desenvolvimento do componente para prever seu desempenho.
As propriedades elétricas dos materiais dielétricos são caracterizadas por sua permissividade complexa, que consiste em partes reais e imaginárias.
A parte real da constante dielétrica, também chamada de constante dielétrica, representa a capacidade de um material armazenar energia quando sujeito a um campo elétrico. Em comparação com materiais com constantes dielétricas mais baixas, materiais com constantes dielétricas mais altas podem armazenar mais energia por unidade de volume , o que os torna úteis para capacitores de alta densidade.
Materiais com constantes dielétricas mais baixas podem ser utilizados como isolantes úteis em sistemas de transmissão de sinais, justamente porque não podem armazenar grandes quantidades de energia, minimizando assim o atraso de propagação do sinal através de quaisquer fios por eles isolados.
A parte imaginária da permissividade complexa representa a energia dissipada pelo material dielétrico no campo elétrico. Isso requer um gerenciamento cuidadoso para evitar a dissipação excessiva de energia em dispositivos como capacitores feitos com esses novos materiais dielétricos.
Existem vários métodos para medir a constante dielétrica. O método de placas paralelas coloca o material sob teste (MUT) entre dois eletrodos. refere-se à espessura do material e à área e diâmetro do eletrodo.
Este método é usado principalmente para medição de baixa frequência. Embora o princípio seja simples, a medição precisa é difícil devido a erros de medição, especialmente para materiais de baixa perda.
A permissividade complexa varia com a frequência, por isso deve ser avaliada na frequência de operação. Em altas frequências, os erros causados ​​pelo sistema de medição aumentarão, resultando em medições imprecisas.
O dispositivo de teste de material dielétrico (como Keysight 16451B) possui três eletrodos. Dois deles formam um capacitor e o terceiro fornece um eletrodo de proteção. o campo elétrico fluirá através do MUT instalado entre eles (veja a Figura 2).
A existência deste campo marginal pode levar a medições errôneas da constante dielétrica do MUT. O eletrodo de proteção absorve a corrente que flui através do campo marginal, melhorando assim a precisão da medição.
Se você deseja medir as propriedades dielétricas de um material, é importante medir apenas o material e nada mais. Por esse motivo, é importante garantir que a amostra do material seja bem plana para eliminar quaisquer espaços de ar entre ela e o eletrodo.
Existem duas maneiras de conseguir isso. A primeira é aplicar eletrodos de película fina à superfície do material a ser testado. A segunda é derivar a permissividade complexa comparando a capacitância entre os eletrodos, que é medida na presença e ausência de materiais.
O eletrodo de proteção ajuda a melhorar a precisão da medição em baixas frequências, mas pode afetar adversamente o campo eletromagnético em altas frequências. Alguns testadores fornecem acessórios opcionais de material dielétrico com eletrodos compactos que podem estender a faixa de frequência útil desta técnica de medição. ajudam a eliminar os efeitos da capacitância marginal.
Erros residuais causados ​​por acessórios e analisadores podem ser reduzidos por circuito aberto, curto-circuito e compensação de carga. Alguns analisadores de impedância possuem esta função de compensação integrada, que ajuda a fazer medições precisas em uma ampla faixa de frequência.
Avaliar como as propriedades dos materiais dielétricos mudam com a temperatura requer o uso de salas com temperatura controlada e cabos resistentes ao calor. Alguns analisadores fornecem software para controlar a célula quente e o kit de cabos resistentes ao calor.
Assim como os materiais dielétricos, os materiais de ferrita estão melhorando constantemente e são amplamente utilizados em equipamentos eletrônicos como componentes de indutância e ímãs, bem como componentes de transformadores, absorvedores e supressores de campo magnético.
As principais características desses materiais incluem sua permeabilidade e perda em frequências operacionais críticas. Um analisador de impedância com um acessório de material magnético pode fornecer medições precisas e repetíveis em uma ampla faixa de frequência.
Assim como os materiais dielétricos, a permeabilidade dos materiais magnéticos é uma característica complexa expressa em partes reais e imaginárias. O termo real representa a capacidade do material de conduzir o fluxo magnético, e o termo imaginário representa a perda no material. usado para reduzir o tamanho e o peso do sistema magnético. O componente de perda da permeabilidade magnética pode ser minimizado para máxima eficiência em aplicações como transformadores ou maximizado em aplicações como blindagem.
A permeabilidade complexa é determinada pela impedância do indutor formado pelo material. Na maioria dos casos, varia com a frequência, por isso deve ser caracterizada na frequência de operação. acessório.Para materiais de baixa perda, o ângulo de fase da impedância é crítico, embora a precisão da medição de fase seja geralmente insuficiente.
A permeabilidade magnética também muda com a temperatura, portanto o sistema de medição deve ser capaz de avaliar com precisão as características da temperatura em uma ampla faixa de frequência.
A permeabilidade complexa pode ser derivada medindo a impedância de materiais magnéticos. Isso é feito enrolando alguns fios ao redor do material e medindo a impedância relativa à extremidade do fio. do campo magnético com o ambiente circundante.
O dispositivo de teste de material magnético (ver Figura 3) fornece um indutor de volta única que envolve a bobina toroidal do MUT. Não há fluxo de vazamento na indutância de volta única, portanto, o campo magnético no dispositivo pode ser calculado pela teoria eletromagnética .
Quando usado em conjunto com um analisador de impedância/material, o formato simples do acessório coaxial e do MUT toroidal pode ser avaliado com precisão e pode alcançar uma ampla cobertura de frequência de 1kHz a 1GHz.
O erro causado pelo sistema de medição pode ser eliminado antes da medição. O erro causado pelo analisador de impedância pode ser calibrado através da correção de erros de três termos. Em frequências mais altas, a calibração do capacitor de baixa perda pode melhorar a precisão do ângulo de fase.
O aparelho pode fornecer outra fonte de erro, mas qualquer indutância residual pode ser compensada medindo o aparelho sem o MUT.
Tal como acontece com a medição dielétrica, uma câmara de temperatura e cabos resistentes ao calor são necessários para avaliar as características de temperatura dos materiais magnéticos.
Melhores telefones celulares, sistemas de assistência ao motorista mais avançados e laptops mais rápidos dependem de avanços contínuos em uma ampla gama de tecnologias. Podemos medir o progresso dos nós de processos de semicondutores, mas uma série de tecnologias de suporte estão se desenvolvendo rapidamente para permitir que esses novos processos sejam colocado em uso.
Os últimos avanços na ciência dos materiais e na nanotecnologia tornaram possível produzir materiais com melhores propriedades dielétricas e magnéticas do que antes. No entanto, medir esses avanços é um processo complicado, especialmente porque não há necessidade de interação entre os materiais e os acessórios nos quais eles estão instalados.
Instrumentos e acessórios bem planejados podem superar muitos desses problemas e fornecer medições confiáveis, repetíveis e eficientes de propriedades de materiais dielétricos e magnéticos para usuários que não possuem conhecimento específico nessas áreas. o ecossistema eletrônico.
“Electronic Weekly” colaborou com RS Grass Roots para se concentrar na apresentação dos jovens engenheiros eletrônicos mais brilhantes do Reino Unido atualmente.
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Ouça este podcast e ouça Chetan Khona (Diretor de Indústria, Visão, Saúde e Ciência, Xilinx) falar sobre como a Xilinx e a indústria de semicondutores respondem às necessidades dos clientes.
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